Desidratação por atomização (spray dryer)

O processo de secagem por atomização ou Spray Dryer (SD), utiliza o princípio de atomização de um líquido para criar partículas individuais que são secas quando movimentadas em um meio gasoso aquecido que de modo geral é o ar atmosférico. A formação dessas gotículas aumenta drasticamente a área superficial, criando assim uma alta exposição da umidade ao ar de secagem, potencializando uma rápida secagem (CHEN; ÖZKAN, 2007).

Os primeiros registros de utilização do processo de SD datam de meados de 1865, quando foram realizadas secagens de ovos. Entretanto a patente e o reconhecimento pela descoberta foram

dados a Samuel Percy em 1872, pois esse descreveu em sua patente os detalhes da secagem em forma de pulverização. Industrialmente o SD foi aplicado em larga escala na década de 1990 para o beneficiamento de leite e fabricação de detergentes em pó (MASTERS, 1985). Contemporaneamente esta tecnologia é aplicada a diversos produtos, como pode ser observado no Quadro 1, baseado nos estudos de Zotarelli (2014).

Quadro 1 - Principais aplicações industriais do spray dryer

Indústria Exemplos de aplicações

Química Resinas de fenol-formaldeído, catalisadores, aminoácidos, etc.

Tintas e pigmentos Pigmentos de tintas, corantes para alimentos, dióxido de titânio, etc.

Detergentes e agentes tenso- ativos

Enzimas para detergentes, agentes emulsificantes, alvejantes em pó.

Alimentícia e bebidas Leite, soro de leite, ovo, soja, proteína, café, chá, frutas e vegetais: banana, tomate, leite de coco, etc.

Farmacêutica e bioquímica Penicilina, enzimas, vacinas, algas, antibióticos, extratos de leveduras.

Fonte: Filková (et al. 2006, apud. ZOTARELLI, 2014).

Os processos de SD (BHANDARI et al., 2008; MASTERS, 1985) consistem em quatro etapas principais:

(I) atomização do líquido alimentado; (II) contato gotículas-ar de secagem; (III) evaporação da umidade e de voláteis;

(IV) separação do produto em pó seco do ar - a separação das partículas secas e do gás de secagem geralmente ocorre em ciclones;

Figura 5: Esquema de um spray dryer

Fonte: ZOTARELLI (2014).

Processos de SD modernos são equipados com leitos fluidizados internos ou externos, exercendo o papel de um segundo estágio no processo de secagem, etapa de resfriamento, aglomeração ou também como uma etapa de revestimento de matérias particulados (BHANDARI et al., 2008, apud. ZOTARELLI, 2014). Segundo Masters, (et al.,1985, apud ZOTARELLI, 2014, p. 57), o processo de atomização tem a seguinte proporção:

Durante a atomização, 1 m3 _{de líquido pode ser dividido em aproximadamente 2.10}12 _gotas

individuais de diâmetro uniforme de 100 μm e área total superficial de 60.000 m2 _{e são}

essas características que permitem altas taxas de secagem e curtos tempos de residência do produto. O tamanho da gotícula que deixa o atomizador é geralmente dependente da vazão de alimentação, da tensão superficial e da densidade do líquido. Enquanto que a taxa de evaporação durante o SD é influenciada pela diferença de temperatura e de pressão de vapor entre a superfície das gotas e o gás de secagem.

Inúmeros são os parâmetros que exercem influência nas características dos extratos secos produzidos neste tipo de processamento (OI, 2011). O Quadro 2 apresenta de forma resumida os principais parâmetros que influenciam na dinâmica de secagem.

Quadro 2 - Principais variáveis no processo de spray dryer

Variável Influência

Concentração do fluído Maior concentração reduz o calor requerido pelo spray dryer e forma partículas grandes

Vazão de alimentação Vazão alta produz partículas grandes

Densidade Seu efeito varia inversamente ao tamanho da partícula Viscosidade O tamanho da gota varia diretamente com a viscosidade da

alimentação

Temperatura do fluido Aumento da temperatura de entrada diminui o consumo de calor requerido pelo secador

Vazão do ar de secagem Vazão alta, baixo tempo na câmara, consequentemente, alta umidade residual

Temperatura do ar de secagem

Aumento da temperatura provoca a diminuição da densidade do produto

Fonte: MASTERS (1985)

A partir de seus estudos Masters (1985), Bhandari (et al., 2008, apud. ZOTARELLI, 2014, p. 58) apresentam as seguintes vantagens do processo de SD:

[...] as características pré-determinadas dos produtos secos que podem ser produzidos (tamanho, massa específica aparente, teor de umidade) e tipo (pós finos, granulados e aglomerados). Além disso, os produtos secos em pó estão prontos para serem embalados, sem etapa de moagem e a qualidade do pó permanece constante durante todo o ciclo de produção, se as condições de secagem são mantidas constantes. Também se deve considerar a versatilidade do processo, pois o mesmo equipamento pode ser utilizado para uma variedade de materiais líquidos e a operação e a manutenção da planta pode ser totalmente automatizada.

A grande perda de voláteis devido à alta temperatura de operação (mesmo estando na faixa de temperatura de bulbo úmido do ar de secagem) e o alto custo de instalação, são desvantagens do processo de SD. Um fato importante e que deve sempre ser considerado quando for desenvolvido um novo processo de secagem (novo material) é a relação de açúcares do material. Uma vez que produtos que apresentam alto teor de açúcares tendem a ficar pegajosos, aderindo nas paredes do secador, apresentando assim a necessidade de adição de agentes carregadores com a finalidade de minimizar este efeito (FILKOVÁ et al., 2006; TANG, 2007). Bhandari, Datta e Howes (1997, apud. ZOTARELLI, 2014, p. 58), desenvolveram um estudo especificamente sobre a secagem de produtos com alto teor de açúcar.

Os autores explicam que os aditivos utilizados na secagem em SD possuem alta temperatura de transição vítrea, elevando a temperatura de transição vítrea da mistura a ser seca, diminuindo a higroscopicidade e adesividade do produto final. Dessa maneira,

grande parte dos estudos sobre SD de alimentos ricos em açúcares tem sido centrada na escolha de agentes carreadores e das concentrações ideais.

Estudar o efeito de agentes carregadores se tornou uma solução para otimizar a secagem de produtos com alto teor de açúcares. Dentre os principais veículos utilizadas pode-se destacar a maltodextrina, a goma arábica e o amido modificado. O próximo tópico deste estudo irá apresentar considerações sobre o uso destes veículos.

4.2.1.1 Vantagens

O processo de secagem por atomização apresenta diversas vantagens, tais como (MASTERS, 1985; AULTON, 2002):

 Seleção adequada do equipamento com base nas características pretendidas para o produto final; o controle da uniformidade e do tamanho das partículas do produto pela manipulação das variáveis do processo.

 Processo contínuo, podendo ser alteradas condições de operação sem a necessidade de interrupção; a rapidez e o rendimento - a evaporação ocorre em frações de segundos, em virtude da formação de inúmeras gotículas que proporcionam uma grande área superficial para trocas térmicas e transferência de massa.

 Baixa agressividade ao produto, o que a faz apropriada para produtos termossensíveis devido ao curto tempo de contato com a fonte de calor, podendo assim, ser empregada com sucesso na produção de produtos intermediários para fitomedicamentos; as partículas resultantes apresentam forma esférica uniforme e uma rápida dissolução, devido à grande área específica; os custos do processo são baixos; alguns sistemas podem operar em modo de circuito-fechado com um gás inerte para reduzir a oxidação do produto.

4.2.1.2 Desvantagens

Dentre as desvantagens acerca da utilização da técnica de secagem por este método podem ser citadas (BROADHEAD et al., 1992; WENDEL; ÇELIK,1998):

 O equipamento apresenta grandes dimensões em escala industrial, necessitando de instalações físicas adequadas.

 O custo inicial é alto, pois necessita de investimento em instalações. Porém, o valor do produto final pode justificar o ônus inicial.

4.2.1.3 Agentes carregadores (encapsulantes)

Diversos aspectos precisam ser considerados em relação à otimização de processos de secagem, principalmente utilizando o método de spray dryer, pois esses ajustes e considerações têm relação direta com a qualidade dos produtos e o rendimento do processo. Segundo Tonon (2009) a qualidade dos produtos oriundos do processo de atomização depende das características de transferência de massa e calor, velocidade de secagem, atomizador utilizado, pressão operacional e das temperaturas de saída e entrada do ar. Desse modo, a constituição físico-química do pó produzido tem dependência direta das propriedades do líquido alimentado (concentração de sólidos, viscosidade, vazão e tamanho das partículas), assim como das propriedades de temperatura e pressão do ar de entrada e do tipo de atomização, pois o tamanho da partícula varia conforme a velocidade de alimentação, temperatura de ar de entrada e geometria do bico.

Durante o desenvolvimento do processo de secagem, ao passo que a umidade é retirada, a solução tem um aumento proporcional de viscosidade devido ao acréscimo na sua concentração, podendo ocasionar coesão entre as partículas ou adesão do pó nas paredes do secador, diminuindo o rendimento do processo. Essa tendência à aderência é provocada pela etapa de transição vítrea e pela geração de cargas eletroestáticas no material de secagem (TONON, 2009).

Barbosa (2010, apud NUNES, 2015, p.27) considera as seguintes influências da temperatura de transição vítrea na secagem por spray Dryer:

Na temperatura de transição vítrea (Tg) ocorre transição de uma estrutura vítrea para um estado gomoso. Durante a secagem por spray dryer como ocorre uma rápida remoção de umidade das gotículas do material, o produto obtido apresentará caráter amorfo, ou ainda, com algumas regiões microcristalinas dispersas. Este é um estado metaestável em não equilíbrio que apresenta moléculas desalinhadas/emaranhadas, com a estrutura mais aberta e porosa com alto grau de higroscopicidade, influenciando sobre as características do material desidratado, principalmente em sua tendência a tornar-se pegajoso, acentuando-se mais à medida que este absorve pequenas quantidades de água.

Algumas medidas podem ser tomadas para que se possa evitar os fenômenos de adesão e coesão: redução da umidade e temperatura do ar de entrada, manutenção da saída de ar abaixo de 100 °C, utilização de sistemas de secagem com 2 ou 3 estágios e adição de agentes encapsulares

ou popularmente conhecidos como carregadores. Estes são constituídos em grande parte carboidratos com alto peso molecular que têm por função aumentar a temperatura de transição vítrea do material.